CC BY
7ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ СПОСОБОВ НАНЕСЕНИЯ НВКРЫТИИ ЗА СЧЕТ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА
М.В. РАДЧЕНКО, профессор, доктор техн. наук, Т. Б. РАДЧЕНКО, профессор, доктор техн. наук, М.И. СТАЛЬНАЯ, профессор, канд. техн. наук, П. С. ЧЕРЕМИСИН, аспирант, АлтГТУ им. И. И. Ползу нова у г. Барнаул
Согласно статистике износ основного оборудования в теплоэнергетике достигает критической точки - до 80 %, дальнейшее его использование грозит техногенной катастрофой. При сложившейся в настоящее время обстановке в промышленности, когда наиболее выгодным методом существования в условиях рынка является не замена оборудования, его агрегатов и узлов на новые, а сохранение работоспособности старых как можно на долгий период времени, актуальным является вопрос об эффективном решении этой проблемы. Поэтому направление - создание износостойких защитных покрытий - является одним из закономерных решений достаточно серьезной проблемы, с которой столкнулась современная промышленность. Наиболее распространенными являются способы газотермического нанесения покрытий. Газстермическое напыление (Thermal spraying) по ГОСТ 28076-89 разделяется на следующие виды: газопламенное напыление (Flame spraying), плазменное напыление (Plasma spraying), плазменно-дуговое напыление, высокочастотное плазменное напыление, электродуговое напыление (Electric arc spraying), детонационное напыление (Detonation spraying), напыление в контролируемой атмосфере, напыление в динамическом вакууме и тигельное напыление. В данном ГОСТе не отражен способ сверхзвукового напыления HVOF ("High Velocity Oxygen Fuel Spraying"), основанный и динамично развивающийся последние 10-15 лет в индустриально-развитых странах мира.
Среди этих процессов нанесения защитных покрытий наиболее заметную роль в силу своих преимуществ играют дозвуковое и сверхзвуковое газопламенное напыление и наплавка.
Основными критериями получения качественных покрытий являются: поддержание постоянной температуры в пятне нагрева, стабильная подача и точная дозировка наносимого материала, скорость истечения продуктов сгорания.
На первом этапе своего развития оборудование для газопламенного напыления и наплавки (рис. 1) предназначалось для ручного использования и Еключало несколько основных компонентов:
- пистолет для напыления или наплавки (/) с питателем (2);
- баллоны с окислителем (кислородом) и горючим газом (ацетилен, пропан-бутан и др.);
- газовое оборудование (редукторы [4,5), шланги (3) и регулировочные вентили).
ь.
А
Рис. 1. Основные элементы газопламенной установки
Подобный способ регулирования имеет ряд существенных недостатков, которые обусловлены, прежде всего, значительным влиянием так называемого «человеческого» фактора:
- нестабильность и неоднородность нанесенного слоя;
- малая производительность;
- дспускается использование только квалифицированным персоналом.
Так как факторами рационального выбора метода и технологии создания износостойких защитных покрытий являются возможность получения их для широкой номен-клатурь изделий различной формы и основы, мобильнссть и компактность используемой установки, а также и то, что качество получаемого защитного покрытия не должно уступать качеству покрытий, полученных альтернативными методами, то данный способ рационален лишь при редко меняющейся технологии и небольших объемах выпуска продукции.
Исходя из того, что спектр наносимых материалов (порошков) чрезвычайно разнообразен по химическому, фазовому составу, грануляции и т.п., то каждому из них присущ свой оптимальный режим (например, температура пламени, при которой порошок расплавляется и образует гомогенную структуру на поверхности защищаемого объекта).
Потому закономерным стало появление установок с частично автоматизированным управлением, в которых появилась возможность задания количества горючих газов и стабильного его поддержания автоматически, а также обозначила себя система обеспечения безопасности персонала.
Примером таких установок служит УГПН «КЕДР» - опытный образец Барнаульского аппаратурно-механическогозавода. Установка предназначена для автоматизированного и
4 № 3 (32) 2006
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
механизированного нанесения покрытий из металлических и керамических порошковых материалов с температурой плавления не более 2000*С, а также легкоплавких металлов и пластмасс с температурой плавления не более 50СГС с целью восстановления изношенных поверхностей, защиты от коррозии и получения декоративных покрытий. Установка включает в себя клапанный узел, электронный блок и блок питания. На передней панели смонтированы манометры контроля давления горючего газа и окислителя, переключатели режима работы, расхода горючей смеси и расхода порошка, кнопка "сеть", "пуск - стоп" и сигнальная арматура.
Однако регулирование газовой смеси по клапанному принципу (ступенчатое регулирование) также не обеспечивает необходимой функциональности установки и адаптивности к широкому спектру наносимых материалов. Кроме того, установка предназначена для ручного использования.
В ВНИИАВТОГЕНМАШ разработана аппаратура для газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов [4]. В дополнение к изготовленному ранее комплекту ручной металлизации УГМ-1 разработана установка газопламенной проволочной металлизации УГМ-С (рис. 2) для нанесения покрытий из стали, бронзы, сплавов алюминия, молибдена.
Ш I
тт.
Рис. 2. Установка УГМ-С
В состав установки входят стационарный газовый метал-лизатор с электрическим приводом подачи распыляемого материала, частотный регулятор скорости подачи проволоки, газовый пульт, защитные клапаны, комплект шлангов. По требованию заказчика в качестве горючего газа может быть использован ацетилен или пропан-бутан. Наличие электропривода подачи проволоки и газового пульта значительно повышает стабильность и воспроизводимость процесса напыления по сравнению с ручной установкой УГМ-1.
На данном этапе намечена тенденция развития установок для газопламенного напыления и наплавки по пути I юлний ав I има I изации 11роцесса.
При создании подобных установок необходимо обеспечить эффективное выполнение функций, возложенных на систему управления.
К основным функциям относятся:
- обеспечение заданных расходов горючего газа, окислителя и наносимого материала;
- поддержание и контроль с~абильности расходов;
- своевременное включение и выключение подачи материала, транспортирование его в факел газопламенного аппарата;
- эффективное смешивание горючего газа и окислителя для образования однородной горючей смеси;
- обеспечение необходимой скорости частиц при вводе их в факел;
- оптимальное его распределение (в случае подачи порошкового материала);
- регулирование расходов горючего газа и окислителя и их соотношения в режиме зажигания горючей смеси и в рабочем режиме;
- обеспечение безопасной работы установки.
Все это можно реализовать в ряде структурных элементов газопламенных установок для нанесения покрытий
В ряду базовых задач по созданию САУ (системы автоматизированного управления) такой аппаратурой является возможность легкого регулирования температуры, поддержание стабильной заданной температуры в точке наплавле-ния. Этого можно достичь путем использования косвенного метода регулирования температуры за счет плавного изменения соотношения рабочих газов. Блок-схема (рис. 3) показывает базовый принцип построения системы управления процессом наплавки или напыления.
Система управления любым технологическим процессом может быть построена по двум основным принципам:
- «жесткая» логика;
- программируемая логика.
Проектирование схемы управления ус~ановкой на основе жесткой логики производится индивидуально в каждом конкретном случае: выбираются электрические элементы и узлы, разрабатывается конструкторская документация на систему управления, производится еэ монтаж, отладка, корректировка. Изготовление схемы требует наличия определенной номенклатуры комплектующих изделий. Для описанного процесса характерны значительные трудозатраты, что особенно ощутимо при мелкосерийном или индивидуальном производстве.
Рис. 3. Блок-схема газопламенной установки, использующей систему автоматизированного управления
ШШЯ
№ 3 (32)2006
C^j ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
Программируемые контроллеры обеспечивают изменение логической программы функционирования с помощью встраиваемого или автономного устройства программирования, что равносильно разработке новой принципиальной электрической схемы с жесткими связями. При этом отпадает необходимость в отключении объекта управления для переналадки, исключаются трудоемкие процессы, связанные с проектированием новой схемы. Поэтому в подавляющем большинстве случаев автоматизации технологических процессов предпочтение отдается программируемым схемам систем управления.
На основании вышеизложенного можно сказать, что выбор регулирующей аппаратуры и типа системы управления является одним из существенных факторов, влияющих на работу установки.
В направлении расширения функциональных возможностей газопламенных установок за счет автоматизации данного процесса ведутся работы в ВНИИИАвтогенмаш, НИИ энергетическсго машиностроения Ь/ГТУ им. Н.Э. Баумана, ООО «НИ1/ Высоких технологий» и др.
ВНИИАВТОГЕНМАШ в рамках государственной целевой научно-технической программы выполняет разработку установки высокоскоростного напыления [4]. Установка предназначена для нанесения покрытий из порошковых и проволочных материалов методом газопламенного высокоскоростного напыления на детали типа поверхность вращения в механизированном режиме (при ручной установке детали).
Разработана конструкторская документация и изготовлен опытный образец установки высокоскоростного напыления (рис. 4).
обеспечения "МЕЬБОРТ РХ-РС8\ЛЛ/1М-Е" и персонального компьютера (ПК).Алгоритм работы, включающий анализ состояния установки, константы значений параметров, последовательность команд исполнительным механизмам (запуск установки, напыление на деталь, выключение), введен в программируемый логический контроллер с ПК. Перед началом процесса оператор вводит следующие параметры: автоматический или ручной способ управления; порошковый или проволочный вариант напыления; количество проходов горелки; режимы работы электродвигателей подачи проволоки, вращения патрона и подачи суппорта. После запуска процесса включаются исполнительные элементы в соответствии с заложенным алгоритмом. В процессе работы установки происходит запись некоторых режимов в память контроллера с возможностью вывода данных на ПК. При несоответствии команд заданным параметрам срабатывает система автоматического управления. Причина останова установки заносится в памятэ контроллера с возможностью вывода ее на ПК. Изменения в алгоритм могут быть внесены при помощи подключенного ПК.
САУ обеспечивает высскую повторяемость процесса, возможность оперативного влияния на процесс напыления, а также регистрацию режимов напыления, повышает безопасность процесса.
Работы в подобном направлении ведутся в ООО «НИИ Высоких технологий» в рамках федеральной программы «СТАРТ». Разрабатываемая установка (рис. 5) имеет возможность плавного регулирования расхода рабочих газов, поддержание заданного расхода.
В"«« Наплавочная рабочих ropema
Рис. 4. Установка для высокоскоростного напыления
В ее состав входят напылительные горелки (порошковый и проволочный варианты), электронный блок управления, блок газопитания, газовый блок порошкового питателя с бункером и универсальный вращатель деталей.
Управление установкой осуществляют с помощью программируемого логического контроллера "Mitsubishi FX-1N" с использованием пакета программного
6
№ 3(32)2006
Рис. 5. Блок-схема автоматизированной
газопламенной установки (РРГ-К - регулятор расхода кислорода, РРГ-П - регулятор расхода пропана, КН - кнопка пуска, ДП - датчик пламени)
Креме того, она обладает небольшими массой и габаритами, а благодаря применению микроконтроллерной системы управления может быть легко перенастроена
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СфД
в соответствии с технологическими особенностями. Гибкость системы позволит использовать установку с широкой гаммой материалов, наносимых на основное изделие, и в перспективе данная система может быть легко интегрирована в технологический процесс, базирующийся на роботизированном производстве.
Подобные разработки имеют некоторые зарубежные фирмы (рис. 6).
Рис. 6. Участок роботизированного напыления (Praxair Inc., США)
На основании изложенного выше можно сделать ряд выводов относительно тенденций развития и применения газопламенных установок и их структурных элементов:
- развитие газопламенных установок идет по пути механизации и автоматизации управления систем обеспечения газопламенных горелок;
- отмечена тенденция к конструктивному офоом-лению установок в виде отдельных блоков, связанных между зобой коммуникациями;
- блочная структура совершенствуется d направлении выделения в отдельный блок элементов, обеспечивающих выполнение определенной функции;
- в современных рыночных условиях использование защитных покрытий является практически единственным резервом снижения затрат на производство, а также средством повышения конкурентоспособности производимых изделий;
- использование средств роботизации обеспечит более широкую область применения данного способа нанесения покрытий;
- также отмечена тенденция в области использования сверхзвуковых газотермических струй для напыления и наплавки, что, как показывают исследования, существенно повышает качество получаемых покрытий;
- использование сверхзвукового напыления и наплавки невозможно без средств автоматизации.
Таким образом, для автоматизации процесса газопламенного нанесения покрытий в условиях частого изменения технических параметров управления технологической установкой применение программируемого микроконтроллера совместно с применением блочной структуры установки наиболее эффективно и экономически выгодно. Кроме того, использование контролируемой сверхзвуковой струи позволит получать покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками с минимальными затратами, что создаст предпосылки для дальнейших исследований в области создания защитных износостойких покрытий, а также реализации на практике полученных результатов.
Список литературы
1. Хасуй А, Моригаки О. Наплавка и напыление.-М.: Машиностроение, 1985.-345с.
2. Пастушенко Ю.И. Состояние и тенденции развития устройств управления газопламменой сваркой// Автоматическая сварка. -1984.-№2.-С.57-63.
3. Состояние и тенденции развития зарубежных систем цифрового программного управления сварочным процессом /Г.А. Спыну, Г.И. Сергацкий, В.И. Загре-бельный и др.// Автоматическая сварка.-1974.-№2.-С.57-64.
4. Совершенствование оборудования для газотермического напыления / A.B. Бурякин // Сварочное произ-водство.-2004.-№5.-С. 30-33
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ
В ОРОЦЕССАХ ШЛИФОВАНИЯ
Теоретические основы, объясняющие физическую природу различной обрабатываемости материалов в процессах абразивной обработки, впервые сформулированы в работах С.Н. Корчака [1]. Гносеология данной теории базировалась на следующем положении: в мо-
А.А. ДЬЯКОНОВ, аспирант, ЮУрГУ, г. Челябинск
мент врезания очередного зерна круга температура металла в зоне контакта остается высокой в результате работы предшествующих зерен и, следовательно, обрабатываемость определяется сопротивлением высокоскоростному пластическому деформированию сталей. В
№ 3 (32)2006 7
